Команда 4-го физического института Университета Штутгарта совместно с компанией Stuttgart Instruments GmbH представила новый тип короткоимпульсного лазера, который сочетает высокую эффективность, широкие возможности настройки и компактные размеры. Устройство умещается на ладони, использует всего пять оптических компонентов и, по словам авторов работы, демонстрирует эффективность до 80% — более чем вдвое выше, чем у многих существующих систем.

Короткоимпульсные лазеры формируют сверхкороткие световые вспышки длительностью от наносекунд до фемтосекунд (одна квадриллионная доля секунды). За такое время импульс успевает передать на очень малую область большую энергию, обеспечивая высочайшую точность. Подобные источники используются в промышленной микрообработке материалов, медицинской визуализации и квантовых измерениях на молекулярном уровне.

В представленной системе короткоимпульсный лазер работает вместе с накачивающим лазером. Лазер накачки подаёт световую энергию на специальный нелинейный кристалл, в котором происходит оптическое параметрическое усиление энергии от накачки к ультракороткому сигнальному импульсу. При этом входные фотоны преобразуются в инфракрасное излучение. Инфракрасный диапазон важен для тех экспериментов и измерений, где обычный видимый свет оказывается недостаточен, в том числе для анализа веществ и точной спектроскопии.

Главная техническая проблема, на которой концентрируются авторы, связана с тем, что для генерации очень коротких импульсов нужен широкий спектр длин волн, а для высокой эффективности — достаточно длинный путь усиления в кристалле. Стандартные подходы требуют либо длинных кристаллов, которые ухудшают спектральные свойства, либо нескольких коротких кристаллов, усложняющих схему и согласование импульсов. По словам ведущего автора работы д-ра Тобиаса Штайнле (Tobias Steinle), до сих пор не удавалось совместить компактность, широкую полосу и высокую эффективность в одном устройстве.

Источник: University of Stuttgart / Jonas Herbig and Johann Thannheimer

Штутгартская команда предложила мультипроходную схему в оптическом параметрическом усилителе. Вместо длинного кристалла или каскада элементов они многократно пропускают свет через один короткий кристалл. После каждого прохода разделённые по времени импульсы вновь точно совмещаются, чтобы сохранить синхронизацию между накачкой и сигнальным импульсом. Такой подход позволяет одновременно поддерживать широкую полосу частот и достигать высокой эффективности усиления при минимальном числе компонентов.

В результате авторам удалось продемонстрировать лазерную систему, генерирующую импульсы короче 50 фемтосекунд, занимающую всего несколько квадратных сантиметров и обеспечивающую фундаментально достижимую эффективность до 80%, то есть до 80% подводимой мощности преобразуется в полезный выход. Для сравнения: распространённые сегодня решения с аналогичным назначением обычно ограничиваются около 35%, что ведёт к лишним потерям энергии и росту стоимости оборудования.

По заявлению авторов, разработанная концепция может быть адаптирована под разные кристаллы, диапазоны длин волн, включая области за пределами стандартного инфракрасного диапазона, и различные длительности импульсов. На базе этой технологии команда планирует создавать небольшие, лёгкие, портативные и перестраиваемые лазеры, в которых длину волны можно будет точно задавать под конкретные задачи. Среди целевых применений — медицинская диагностика и визуализация, аналитическая спектроскопия, детектирование газов и экологический мониторинг.

Подробнее на iXBT